OBTENCIÓN DE SILICIO METALÚRGICO A PARTIR DE MEZCLAS

Suplemento de la Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales 2009; S1 (3): 1349-1352
OBTENCIÓN DE SILICIO METALÚRGICO A PARTIR DE MEZCLAS DE CENIZA DE
CASCARILLA DE ARROZ Y ARENA SILICEA
A. Forero1*, L. A. Medrano1*, S. Díaz1*
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Este artículo forma parte del “Volumen Suplemento” S1 de la Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales
(RLMM). Los suplementos de la RLMM son números especiales de la revista dedicados a publicar memorias de
congresos.
9
Este suplemento constituye las memorias del congreso “X Iberoamericano de Metalurgia y Materiales (X
IBEROMET)” celebrado en Cartagena, Colombia, del 13 al 17 de Octubre de 2008.
9
La selección y arbitraje de los trabajos que aparecen en este suplemento fue responsabilidad del Comité
Organizador del X IBEROMET, quien nombró una comisión ad-hoc para este fin (véase editorial de este
suplemento).
9
La RLMM no sometió estos artículos al proceso regular de arbitraje que utiliza la revista para los números regulares
de la misma.
9
Se recomendó el uso de las “Instrucciones para Autores” establecidas por la RLMM para la elaboración de los
artículos. No obstante, la revisión principal del formato de los artículos que aparecen en este suplemento fue
responsabilidad del Comité Organizador del X IBEROMET.
0255-6952 ©2009 Universidad Simón Bolívar (Venezuela)
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Suplemento de la Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales 2009; S1 (3): 1349-1352
OBTENCIÓN DE SILICIO METALÚRGICO A PARTIR DE MEZCLAS DE CENIZA DE
CASCARILLA DE ARROZ Y ARENA SILICEA
A. Forero1*, L. A. Medrano1*, S. Díaz1*
1 Grupo de Investigación en Materiales Siderúrgicos. UPTC -Tunja –Boyacá- Colombia
* e-mail: alher31@hotmail.com, amedrano2001@hotmail.com, sancodibe@gmail.com
Trabajos presentados en el X CONGRESO IBEROAMERICANO DE METALURGIA Y MATERIALES IBEROMET
Cartagena de Indias (Colombia), 13 al 17 de Octubre de 2008
Selección de trabajos a cargo de los organizadores del evento
Publicado On-Line el 29-Jul-2009
Disponible en: www.polimeros.labb.usb.ve/RLMM/home.html
Resumen
La cascarilla de arroz es un desecho agro-industrial que se produce en altos volúmenes en zonas donde se siembra y se
procesa arroz, por su contenido de sílice este desecho se puede utilizar para la obtención de silicio metalúrgico. La
utilización de la cascarilla de arroz usada para la obtención de silicio, adicionalmente de ser una innovación en el proceso
industrial de la producción de otros compuestos de silicio, se convierte en un factor de valor agregado para los agricultores
arroceros en la actualidad y a la vez soluciona el problema ambiental que causa la cascarilla. El objetivo principal de este
proyecto es el montaje y puesta en marcha de un método de producción de silicio metalúrgico al 98 %, utilizando la sílice
que contiene la cascarilla de arroz y arena silicea lavada.
Palabras Claves: Cascarilla de arroz, arena silicea, silicio metalúrgico.
Abstract
The rice husk is an agro-industrial waste is produced in high volumes in areas where it is planted and processed rice, for
contain in silicon this waste can be used for obtaining metallurgic silicone. The use of rice husk, besides being an
innovation in the industrial process of producing silicon, it becomes a factor of added value for rice farmers at present and
at the same time solve the environmental problem caused by husk. The main objective of this project is assembling and
launching of a method for producing silicon metal to 98%, using silica that contains rice husk and sand silicon washed.
Keywords: rice husk, sand silicon, silicon metal.
1. INTRODUCCION
Las espigas de arroz generalmente están constituidas
por cuatro componentes principales: el germen, la
parte mas rica en nutrientes, ácidos grasos,
aminoácidos y enzimas, y se constituye en la parte
germinal que da lugar al crecimiento del grano, el
endospermo, que representa alrededor del 70% del
volumen del grano y constituye al final del proceso
el producto denominado arroz blanco, la cutícula o
polvillo que alcanza un 6,8% en volumen en el
grano de arroz, utilizado como alimento para
animales por su alto contenido de grasas, la cáscara
o pajilla que constituye aproximadamente el 20% en
peso del grano y que es separado en el proceso de
pilado formándose verdaderas montañas de
cascarilla al costado de los molinos, lo que ocasiona
problemas de espacio por la acumulación de este
desecho. Normalmente, la cascarilla se incinera para
reducir su volumen generando humos y productos
0255-6952 ©2009 Universidad Simón Bolívar (Venezuela)
contaminantes. Como combustible genera calor,
debido a su valor calorífico y la ceniza resultante
contiene un porcentaje en sílice alrededor del 90%,
lo que la hace una potencial fuente de sílice. Las
principales impurezas que contiene esta sílice son:
calcio, potasio, magnesio y manganeso, y como
secundarias hierro, aluminio, boro y fósforo, para
obtener sílice de alta pureza es necesario eliminar
estas impurezas. [1].
2. SILICIO
El dióxido de silicio (SiO2) es un compuesto de
silicio y oxígeno, llamado comúnmente sílice. Es
uno de los componentes principales de la arena. Una
de las formas en que aparece naturalmente es el
cuarzo. Este compuesto ordenado espacialmente en
una red tridimensional (cristalizado), forma el
cuarzo y todas sus variedades. Si se encuentra en
estado amorfo constituye el ópalo y suele incluir un
1349
Forero et al.
porcentaje del 4-9 % de agua. El dióxido de silicio
se usa, entre otras cosas, para la fabricación de
vidrio, cerámicas y cemento. El dióxido de silicio es
un desecante, esto significa que absorbe la humedad
del lugar en que se encuentra. [2]
sistema de recuperación de energía, los filtros y el
sistema de manipulación de metales. [3]
El silicio metalúrgico se obtiene a partir de sílice de
alta pureza reduciendo en hornos de arco eléctrico
con electrodos a temperaturas superiores a 2000 ° C:
SiO2 + C → Si + CO2
(1)
Hay varias razones por las que el proceso es mucho
más complicado de lo que se sugiere en la ecuación
(1), pero la razón principal es la alta estabilidad de
dióxido de silicio.
El proceso de obtención del silicio es complicado en
el sentido de que se obtiene de muchos sub.procesos. Esto se debe a los requisitos de
transformación en la producción de silicio. Los
principales puntos importantes en el proceso de
producción
de
silicio
son los siguientes:
•
La producción de silicio requiere de una
operación a muy alta temperatura ( >1811 °C) y
grandes cantidades de energía.
• Durante la operación, los compuestos en estado
sólido se convierten en líquido con una gran
producción de gas de proceso.
• El proceso incluye el SiO-gas, que es muy
inestable y reacciona vigorosamente con el oxígeno.
Hoy todos los procesos se basan en la combustión
de los gases de proceso en la parte superior del
horno.
Sin
embargo,
este
proceso de quemado puede no ser óptimo desde una
perspectiva ambiental.
• El único agente conocido de reducción es el
carbono, que está con frecuencia en forma de coque
y carbón.
• La única adición de energía al proceso es la
energía eléctrica a través de electrodos.
Además de los principales elementos Si, C y O que
participan en la reacción (1), hay elementos
adicionales
en
pequeñas
cantidades
que
entran en el proceso como impurezas en las materias
primas y el electrodo. Este trabajo describe la
aparición de algunos de estos elementos y su
distribución en el proceso de producción. [3]
La Figura 1 muestra la parte principal de una
moderna planta de silicio. Muestra también los silos
de materia prima, el sistema de electrodos, el
1350
Figura 1. Principios de una planta moderna de
silicio.
El corazón de esta planta es un horno eléctrico de
reducción. Se compone de una cuba que está llena
hasta el borde, cargado con sus materias primas que
por gravedad descienden de los silos a través de
unos tubos a la cuba como se muestra. La energía
necesaria para la fusión se entrega por medio de 3
fases a través de tres electrodos en posición vertical
y sumergidos dentro de la mezcla cargada.[3]
El 90- 95% de la energía suministrada se disipa en
forma de calor en las cavidades llenas de gas que
rodean el extremo de los electrodos, dando una
temperatura en la cavidad alrededor de 2000 ° C. [3]
El silicio líquido se acumula en el fondo del horno
de donde se extrae y se enfría. El silicio producido
por este proceso se denomina metalúrgico y tiene
una pureza del 98%. Para la construcción de
dispositivos
semiconductores,
es
necesario
purificarlo aun más hasta obtener silicio ultra puro,
por métodos físicos o químicos.
Los métodos físicos de purificación del silicio
metalúrgico se basan en la mayor solubilidad de las
impurezas en el silicio líquido, de forma que estas se
concentran en las últimas zonas solidificadas. El
primer método usado para construir componentes de
radar durante la Segunda Guerra Mundial, consiste
en moler el silicio de forma que las impurezas se
acumulen en las superficies de los granos de silicio;
Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2009; S1 (3): 1349-1352
Obtención de silicio metalúrgico a partir de mezclas de ceniza de cascarilla
disolviendo éstos parcialmente con ácido se obtenía
un polvo más puro. La fusión por zonas, el primer
método usado a escala industrial, consiste en fundir
un extremo de la barra de silicio y trasladar
lentamente el foco de calor a lo largo de la barra de
modo que el silicio va solidificando con una pureza
mayor al trasladar a la zona fundida gran parte de
las impurezas. El proceso puede repetirse las veces
que sea necesario hasta lograr la pureza deseada
bastando entonces cortar el extremo final en el que
se han acumulado las impurezas. [4]
3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
El procedimiento experimental se llevó a cabo
teniendo en cuenta la siguiente metodología:
a. Deshidratación de la cascarilla a 150° C.
b. Calcinación: La cascarilla se calcinó a 600° C
c. Análisis químico de las cenizas: El producto
obtenido de la calcinación será analizado
químicamente (FRX, gravimetría), con el fin de
determinar la cantidad de sílice presente en la
muestra.
d. Análisis químico de la arena lavada: Se hizó
análisis químico de la arena con el fin de
determinar porcentaje de sílice presente en la
muestra.
e. Mezcla de las muestras: Se mezclaron la ceniza
obtenida de la cascarilla de arroz y la arena
lavada en diferentes proporciones.
f. Montaje del experimento: Se llevó a cabo el
montaje del experimento con un horno electrico
de arco con un electrodo de grafito para la
fusión de la mezcla de arena de roca y cenizas
de cascarilla de arroz.
g. Análisis químico del silicio y la escoria por
diferentes
medios
(Absorción
atómica,
gravimetría, MEB)
4.
Figura 2. Montaje del horno de fusión
Figura 3. Pruebas de fusión
Se han realizado las correspondientes pruebas de
fusión de arena silicea mezclada con carbón, cenizas
de cascarilla de arroz con carbón obteniendo la
siguiente composición química por fluorescencia de
rayos X de cada una así:
RESULTADOS
4.1 Resultados Preliminares
Se construyó el horno eléctrico de arco de un
electrodo donde se realizaron pruebas preliminares
con diferentes mezclas.
Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2009; S1 (3): 1349-1352
Figura 4. Espectro de FRX. Composición en porcentaje
de elementos para muestra obtenida a partir de cenizas de
cascarilla de arroz
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Forero et al.
Tabla 1. Porcentaje de concentración de elementos de la
cascarilla de arroz obtenida por FRX.
elementos presentes en las muestras obtenidas a
partir de cenizas de cascarilla de arroz y arena
silicea, se utilizó carbón como agente reductor.
Compuestos
Concentración
en %
Si
75.0
Ca
0.42
Ti
0.62
Fe
12.4
Co
0.14
Zr
0.16
Aunque no se obtuvo el porcentaje de silicio
esperado, con pruebas adicionales se espera obtener
silicio metalúrgico con un porcentaje del 98%,
observando los resultados anteriores debe mejorarse
el proceso de fusión para la obtención de una
muestra metálica con un mayor contenido de silicio.
Au
9.4
5. CONCLUSIONES
Ag
1.9
4.2 Resultados Esperados
El producto obtenido a partir de cascarilla de arroz
mostró un comportamiento muy volátil, por lo que
se determinó realizar mezclas con arena silicea,
mientras que el producto obtenido a partir de arena
silicea fue un material metálico con 85 % de silicio,
el cual debe mejorarse, teniendo en cuenta tiempo
de residencia de la arena en el crisol. Para darle
continuidad a la investigación se tiene programadas
otras pruebas donde inicialmente es necesario
aumentar el tamaño del crisol verificando resultados
con altas temperaturas cercanas a los 2000° C.
6. REFERENCIAS
Figura 5. Espectro de FRX. Composición en porcentaje
de elementos para muestra metálica a partir de arena
silicea.
Tabla 2. Porcentaje de concentración elemental de la
muestra metálica
[1] AHUMADA, L. M. y RODRIGUEZ, Páez, J. E.
Uso del SiO2 obtenido de la cascarilla de arroz en
la síntesis de silicatos de calcio. Revista
Academia Colombiana de la Ciencia Vol. 30
Número 117. Págs. 581-594. Diciembre de 2006.
[2]Obtenido
de
http://es.wikipedia.org/wiki/Di%C3%B3xido_d
e_silicio"
[3] Henrik E. and Tveit H. Material Balances of
Trace Elements in the Ferrosilicon and Silicon
Department
of
Materials
Processes.
Technology and Electrochemistry. Faculty of
Chemistry and Biology. Norwegian University
of Science and Technology.
[4]http://es.wikipedia.org/wiki/Silicio#Abundancia_
y_obtenci.C3.B3
En las figuras 4 y 5 se observa la cantidad de
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